變頻調(diào)速技術(shù)在煤氣中繼自動(dòng)化加壓站中的應(yīng)用及相關(guān)控制問(wèn)題
1 引言
在鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)中，高爐、焦?fàn)t和轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的煤氣是重要的高熱值燃料，如排放至大氣，將造成嚴(yán)重的空氣污染，若將它們收集加以充分利用，作各種工業(yè)燃?xì)饧訜釥t的燃料，其經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。一般處理過(guò)程是將產(chǎn)生的各種煤氣分別收集到貯氣罐(或貯氣塔柜)再用管道傳送到中繼站經(jīng)加壓后供各用戶使用。當(dāng)從一次能源(如煤)轉(zhuǎn)換成二次能源(煤氣)時(shí)，由于一次能源燃質(zhì)不穩(wěn)，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中必然導(dǎo)致二次能源(煤氣)燃質(zhì)也不穩(wěn)，即煤氣燃質(zhì)具有較大的不確定性。用戶要求將燃質(zhì)控制在允許范圍內(nèi)，且將燃?xì)獾膲毫?yán)格穩(wěn)定在指定范圍，以便使用。以鋼鐵企業(yè)的燃?xì)廛堜摷訜釥t為例，它要求送入的燃?xì)馊假|(zhì)和壓力穩(wěn)定，否則燃燒系統(tǒng)很難控制，直接影響軋鋼生產(chǎn)等后續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量。現(xiàn)在的煤氣加壓站有相當(dāng)部份采用電氣儀表控制系統(tǒng)，也有部份經(jīng)過(guò)改造從現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)后用PLC為主控制器對(duì)設(shè)備實(shí)施控制的，因控制比較粗造，效果并不令人滿意。由于受設(shè)備限制還談不上自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)配氣和自動(dòng)調(diào)度，基本上是處于儀表監(jiān)視、手工操作的狀態(tài)，優(yōu)化配氣和調(diào)度更無(wú)從談起，其核心問(wèn)題是采用變頻器后，控制部份存在問(wèn)題較多，本文就有關(guān)問(wèn)題作些討論。
2 對(duì)象特性分析與控制策略選取
2.1 對(duì)象特性分析
混合煤氣由于來(lái)自高、焦和轉(zhuǎn)爐煤氣，由前述可知，燃?xì)馊假|(zhì)的不確定性和不確知性是其主要特性。因此既不可能直接用傳統(tǒng)的機(jī)理方法建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，也不可能用系統(tǒng)辨識(shí)方法間接地導(dǎo)出控制的數(shù)學(xué)模型，對(duì)這種半結(jié)構(gòu)化(或非結(jié)構(gòu)化)的控制問(wèn)題，常規(guī)控制策略顯然無(wú)能為力。煤氣加壓站存在的問(wèn)題從表面上看是壓力、流量的變化，實(shí)質(zhì)上涉及管網(wǎng)特性的變化，特性的改變要求在對(duì)加壓機(jī)實(shí)施調(diào)速時(shí)必須適應(yīng)其特性的變化。不確定性和不確知性表現(xiàn)在多個(gè)方面，如系統(tǒng)參數(shù)的未知性、時(shí)變性、隨機(jī)性和分散性;系統(tǒng)時(shí)滯的未知性和時(shí)變性;系統(tǒng)嚴(yán)重的非線性;系統(tǒng)各變量間的關(guān)聯(lián)性;環(huán)境干擾的未知性等等，傳統(tǒng)控制對(duì)具有上述特性的對(duì)象是無(wú)能為力的，必須尋求有效的控制策略。
2.2 控制策略選取
由于鋼鐵企業(yè)的特殊性，各分廠或車(chē)間之間在地域上的分散性突出，相距距離較遠(yuǎn)，資源配置情況差異較大，情況又相當(dāng)復(fù)雜，籠統(tǒng)地討論是不切實(shí)際的。文中只針對(duì)特定情況討論，即將所收集的各種煤氣分別送中繼加壓站加壓，再根據(jù)需要進(jìn)行配氣、調(diào)度。由于存在不確定性和不確知性，對(duì)象特性難以用嚴(yán)格的定量方法進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，因而從控制角度考慮問(wèn)題，感興趣的主要目標(biāo)不應(yīng)是被控對(duì)象，而是控制器的本身。工程中往往采用的是在總結(jié)操作者豐富經(jīng)驗(yàn)和操作規(guī)則的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征信息進(jìn)行識(shí)別，再作直覺(jué)推理，再在線地確定控制策略的方法，即智能控制策略。它的特點(diǎn)是控制規(guī)則的建立及控制決策過(guò)程不是基于被控對(duì)象單純的數(shù)學(xué)解析模型，而是基于知識(shí)(包括定量和定性的知識(shí))，體現(xiàn)了人(專家、嫻熟的操作者)的智能。其控制形式是多種多樣的，如專家控制、仿人智能控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自學(xué)習(xí)控制等等，其中更貼近實(shí)際的是專家控制和仿人智能控制。
(1) 專家控制策略
實(shí)時(shí)專家控制系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是計(jì)算機(jī)智能軟件系統(tǒng)。它模擬領(lǐng)域?qū)＜姨幚碇R(shí)和解決問(wèn)題，是具有獲得反饋信息并能實(shí)時(shí)在線地控制的系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理與特征辨識(shí)是在線的，能夠及時(shí)反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征。其推理方法一般采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的前向推理，依次判別各條規(guī)則的條件，若滿足則執(zhí)行，執(zhí)行規(guī)則必須給出控制決策，決策可以是定性和定量結(jié)合的方式。實(shí)時(shí)專家控制系統(tǒng)主要由知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和推理機(jī)組成，其知識(shí)庫(kù)分為靜態(tài)知識(shí)庫(kù)和動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)。靜態(tài)知識(shí)庫(kù)中存放系統(tǒng)和工況設(shè)定值等參數(shù)，動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)中存放各種專家規(guī)則集，規(guī)則可按不同類型劃分為多個(gè)子集，子集間的關(guān)系是分級(jí)(或協(xié)調(diào))的，為了滿足時(shí)間響應(yīng)要求，每個(gè)子集中的規(guī)則數(shù)不宜太多。其難點(diǎn)在于對(duì)不確定性和不確知性的系統(tǒng)建立知識(shí)庫(kù)并非易事，就是建立了完善復(fù)雜的知識(shí)庫(kù)，也未必滿足實(shí)時(shí)要求，事實(shí)上對(duì)所研究的特定系統(tǒng)而言，是不可取的。
(2) 仿人智能控制
其基本思想是在控制過(guò)程中利用計(jì)算機(jī)模擬人的控制行為功能，最大限度地識(shí)別和利用控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程所提供的特征信息，進(jìn)行啟發(fā)和直覺(jué)推理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺乏精確數(shù)學(xué)模型的對(duì)象進(jìn)行有效的控制。其物理實(shí)現(xiàn)方法是根據(jù)計(jì)算機(jī)控制動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的輸入輸出的信息來(lái)識(shí)別被控系統(tǒng)所處的狀態(tài)、動(dòng)態(tài)特征及行為，即利用系統(tǒng)誤差e和e的一階、二階導(dǎo)數(shù)，便可構(gòu)造控制算法，相對(duì)而言它是簡(jiǎn)捷而實(shí)用的，物理意義清晰。與其它智能控制策略(如專家控制策略、模糊控制策略、神經(jīng)控制策略、自學(xué)習(xí)控制策略、多級(jí)遞階智能控制策略、多模變結(jié)構(gòu)智能控制策略等)相比，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。因此，在煤氣中繼自動(dòng)化加壓站中，采用了仿人智能控制策略。
3 控制算法
基本思路是模仿過(guò)程控制系統(tǒng)中富有經(jīng)驗(yàn)的操作者的普遍行為，如當(dāng)系統(tǒng)的誤差趨于增加時(shí)，發(fā)出強(qiáng)烈的作用(閉環(huán)控制);當(dāng)系統(tǒng)誤差趨于減小時(shí)，則取消控制動(dòng)作，等待觀察等等。人對(duì)被控系統(tǒng)的狀態(tài)、動(dòng)態(tài)特征及行為了解的越多，控制的效果就會(huì)越好。如果en表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻誤差值，en-1和en-2分別表示前一個(gè)和前二個(gè)采樣時(shí)刻的誤差值，則有
從誤差e和誤差變化Δe這兩個(gè)基本的特征變化，便可從動(dòng)態(tài)過(guò)程中獲取更多的特征信息。
(1) e·Δe
誤差e同誤差變化Δe之積構(gòu)成了一個(gè)新的描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的特征變量，利用該特征變量的取值是否大于零，就可以描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程變化的趨勢(shì)。
當(dāng)e·Δe<0時(shí)，表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程正向著誤差減小的方向變化，即誤差的絕對(duì)值逐漸減小。
當(dāng)e·Δe>0時(shí)，表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程正向著誤差增大的方向變化，即誤差的絕對(duì)值逐漸增大。
在控制過(guò)程中，識(shí)別e·Δe的符號(hào)，便可掌握系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的行為特征，以便更好地制定下一步控制策略。
(2) Δen·Δen-1
相鄰兩次誤差變化之積Δen·Δen-1構(gòu)成了一個(gè)表征誤差出現(xiàn)極值狀態(tài)的特征量，若Δen·Δen-1<0表征出現(xiàn)極值，若Δen·Δen-1>0表征無(wú)極值。
(3)
誤差變化Δe與誤差e之比的絕對(duì)值的大小，描述了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中誤差變化的姿態(tài)。
將與e·Δe聯(lián)合使用, 可對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程作進(jìn)一步的劃分, 通過(guò)這種劃分，可以捕捉到動(dòng)態(tài)過(guò)程的不同姿態(tài)。
(4) Δ(Δe)
誤差變化的變化率，即二次差分，描述動(dòng)態(tài)過(guò)程處于趨于超調(diào)或回調(diào)段位;當(dāng)Δ(Δe)>0，處于超調(diào)段:Δ(Δe)<0時(shí)，處于回調(diào)段。
總結(jié)上述特征，其基本控制算法可歸納為:
k為控制器增益的抑制(衰減)系數(shù), 一般取o<k<1。
基本算法控制系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 基本算法控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
上述控制算法對(duì)大滯后自衡對(duì)象的定值控制是非常適宜的，為了適應(yīng)流量突變或進(jìn)一步提高抗干擾能力，還可加入Bang-Bang控制，使動(dòng)態(tài)品質(zhì)更好。
4 中繼加壓站控制的工程實(shí)現(xiàn)
在中繼加壓站控制的工程實(shí)現(xiàn)中，圍繞經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)要考慮的問(wèn)題是比較多的，如能耗控制、設(shè)備磨損控制、安全控制、穩(wěn)壓調(diào)節(jié)控制、配氣與自動(dòng)調(diào)度等。
4.1 變頻調(diào)速與控制技術(shù)的結(jié)合
加壓站能源主要耗在電動(dòng)機(jī)上，某站改造前靠回流閥開(kāi)度調(diào)節(jié)，即當(dāng)出口流量大時(shí)回流閥關(guān)閉或開(kāi)度小，而出口流量小時(shí)為防止壓力過(guò)高，則使閥門(mén)開(kāi)度增大以減壓。帶動(dòng)增壓泵的電動(dòng)機(jī)始終以額定轉(zhuǎn)速全速運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅浪費(fèi)電能而且機(jī)器磨損大，常因回流閥不靈造成事故，穩(wěn)壓效果極差。改造后，把變頻調(diào)速技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合，用智能控制算法實(shí)施閉環(huán)控制，控制器輸出直接控制變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)氣泵，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制出口壓力，穩(wěn)壓效果好，而且可根據(jù)工藝參數(shù)要求隨時(shí)改變壓力，滿足用戶需要，節(jié)電效果顯著，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。當(dāng)然在調(diào)速過(guò)程中，要注意用屏蔽方法過(guò)濾掉變頻器使機(jī)器產(chǎn)生共振的頻率，以免引起機(jī)器損壞。
4.2 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架
由于加壓站對(duì)各種控制裝置分散管理功能要求很高，一般采用DCS系統(tǒng)比較恰當(dāng)，其電氣監(jiān)控系統(tǒng)可采用由PLC構(gòu)成的下位機(jī)實(shí)現(xiàn)，對(duì)各設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)、控制參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)，如溫度、壓力、流量、電量、起/停、時(shí)鐘、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等作在線記錄、計(jì)算和統(tǒng)計(jì), 并將上述數(shù)據(jù)存放在PLC模板的存儲(chǔ)器內(nèi)，通過(guò)PLC通訊接口送上位機(jī)作管理用。壓力調(diào)節(jié)控制由上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成，其硬件可采用高可靠性的工控機(jī)，再在視窗操作系統(tǒng)上配以工控組態(tài)軟件作開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)相關(guān)的控制應(yīng)用軟件。由于工控組態(tài)軟件有強(qiáng)大而豐富的軟件功能，如數(shù)據(jù)處理、通訊、存儲(chǔ)、顯示等，因此諸如全站的數(shù)據(jù)功能、顯示功能、設(shè)備操作功能、統(tǒng)計(jì)功能、設(shè)備管理功能和故障診斷功能等，均可滿足管理要求。此外，采用這種構(gòu)架，自動(dòng)配氣及自動(dòng)調(diào)度也可在統(tǒng)一的操作界面上完成。
4.3 煤氣的自動(dòng)混氣與調(diào)度
由于焦?fàn)t、高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣不僅燃質(zhì)不同，而且其燃質(zhì)還是波動(dòng)的，各種煤氣的產(chǎn)量也時(shí)有變化，為了既保證不同類型用戶的要求，又不致浪費(fèi)，煤氣資源的混合使用與合理調(diào)度是值得關(guān)注的。各種煤氣間按多大比例混合才是最經(jīng)濟(jì)的，在什么條件下需要補(bǔ)充天燃?xì)?，以保證達(dá)到規(guī)定的燃質(zhì)等等，情況是比較復(fù)雜的。粗略的作法可將各種煤氣燃質(zhì)實(shí)際測(cè)出，并在變化的范圍內(nèi)分檔，以便混合搭配，自動(dòng)配氣與調(diào)度可以采用實(shí)時(shí)專家控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)專家控制系統(tǒng)主要由知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和推理機(jī)組成，它與一般應(yīng)用程序的主要區(qū)別在于:前者問(wèn)題求解的知識(shí)隱含地編入程序，而后者則把應(yīng)用領(lǐng)域的問(wèn)題求解知識(shí)單獨(dú)組成一個(gè)實(shí)體，即知識(shí)庫(kù)。知識(shí)的處理是通過(guò)與知識(shí)庫(kù)分開(kāi)的控制策略進(jìn)行的，也就是說(shuō)，一般應(yīng)用程序把知識(shí)組織為兩級(jí):數(shù)據(jù)級(jí)和程序級(jí)。實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)則將知識(shí)組織成為三級(jí):數(shù)據(jù)級(jí)、知識(shí)庫(kù)和控制級(jí)。推理方法采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的前向推理，依次判別各條規(guī)則的條件，若滿足則執(zhí)行，然后繼續(xù)循環(huán)，判斷下去。靜態(tài)知識(shí)庫(kù)中存放配氣系統(tǒng)和工況設(shè)定值等參數(shù)，動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)中存放各種專家規(guī)則集，因?yàn)橐?guī)則不多，是可以滿足時(shí)間響應(yīng)要求的。實(shí)時(shí)專家控制系統(tǒng)規(guī)則集采用IF“條件”THEN“結(jié)論”的方式或IF(事實(shí)1)(事實(shí)2)……(事實(shí)n)THEN(事實(shí)1)(事實(shí)2)……(事實(shí)n)的方式表達(dá)。
5 結(jié)束語(yǔ)
將變頻調(diào)速技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，經(jīng)在某鋼鐵集團(tuán)公司動(dòng)力廠煤氣混合中繼加壓站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造工程的實(shí)踐中證實(shí)，改造后的系統(tǒng)不僅滿足了生產(chǎn)需求，而且還為研究系統(tǒng)本身問(wèn)題提供了較理想的環(huán)境?？刂菩Ч⒖刂破焚|(zhì)、操作和安全性均能令人滿意。因應(yīng)用變頻調(diào)速設(shè)備磨損減少，管道閥及其它管件受壓均勻，損壞率大幅下降，機(jī)組長(zhǎng)期在低于額定轉(zhuǎn)速和額定的電流下工作，軸溫大幅度下降，磨損減少，潤(rùn)滑油用量也隨之減少，維修成本下降。項(xiàng)目投入資金37萬(wàn)元，每年節(jié)約電費(fèi)25萬(wàn)元，維修保養(yǎng)費(fèi)4萬(wàn)元，即每年節(jié)約經(jīng)費(fèi)共29萬(wàn)元，投資回收期大約1年零3個(gè)月。實(shí)踐說(shuō)明，選擇正確的控制策略與控制算法是提升煤氣加壓站技術(shù)性能的關(guān)鍵。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
李太福(1971-) 男 講師/博士 主要從事機(jī)電控制工程及智能自動(dòng)化方面的教學(xué)與科研。
在鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)中，高爐、焦?fàn)t和轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的煤氣是重要的高熱值燃料，如排放至大氣，將造成嚴(yán)重的空氣污染，若將它們收集加以充分利用，作各種工業(yè)燃?xì)饧訜釥t的燃料，其經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。一般處理過(guò)程是將產(chǎn)生的各種煤氣分別收集到貯氣罐(或貯氣塔柜)再用管道傳送到中繼站經(jīng)加壓后供各用戶使用。當(dāng)從一次能源(如煤)轉(zhuǎn)換成二次能源(煤氣)時(shí)，由于一次能源燃質(zhì)不穩(wěn)，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中必然導(dǎo)致二次能源(煤氣)燃質(zhì)也不穩(wěn)，即煤氣燃質(zhì)具有較大的不確定性。用戶要求將燃質(zhì)控制在允許范圍內(nèi)，且將燃?xì)獾膲毫?yán)格穩(wěn)定在指定范圍，以便使用。以鋼鐵企業(yè)的燃?xì)廛堜摷訜釥t為例，它要求送入的燃?xì)馊假|(zhì)和壓力穩(wěn)定，否則燃燒系統(tǒng)很難控制，直接影響軋鋼生產(chǎn)等后續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量。現(xiàn)在的煤氣加壓站有相當(dāng)部份采用電氣儀表控制系統(tǒng)，也有部份經(jīng)過(guò)改造從現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)后用PLC為主控制器對(duì)設(shè)備實(shí)施控制的，因控制比較粗造，效果并不令人滿意。由于受設(shè)備限制還談不上自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)配氣和自動(dòng)調(diào)度，基本上是處于儀表監(jiān)視、手工操作的狀態(tài)，優(yōu)化配氣和調(diào)度更無(wú)從談起，其核心問(wèn)題是采用變頻器后，控制部份存在問(wèn)題較多，本文就有關(guān)問(wèn)題作些討論。
2 對(duì)象特性分析與控制策略選取
2.1 對(duì)象特性分析
混合煤氣由于來(lái)自高、焦和轉(zhuǎn)爐煤氣，由前述可知，燃?xì)馊假|(zhì)的不確定性和不確知性是其主要特性。因此既不可能直接用傳統(tǒng)的機(jī)理方法建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，也不可能用系統(tǒng)辨識(shí)方法間接地導(dǎo)出控制的數(shù)學(xué)模型，對(duì)這種半結(jié)構(gòu)化(或非結(jié)構(gòu)化)的控制問(wèn)題，常規(guī)控制策略顯然無(wú)能為力。煤氣加壓站存在的問(wèn)題從表面上看是壓力、流量的變化，實(shí)質(zhì)上涉及管網(wǎng)特性的變化，特性的改變要求在對(duì)加壓機(jī)實(shí)施調(diào)速時(shí)必須適應(yīng)其特性的變化。不確定性和不確知性表現(xiàn)在多個(gè)方面，如系統(tǒng)參數(shù)的未知性、時(shí)變性、隨機(jī)性和分散性;系統(tǒng)時(shí)滯的未知性和時(shí)變性;系統(tǒng)嚴(yán)重的非線性;系統(tǒng)各變量間的關(guān)聯(lián)性;環(huán)境干擾的未知性等等，傳統(tǒng)控制對(duì)具有上述特性的對(duì)象是無(wú)能為力的，必須尋求有效的控制策略。
2.2 控制策略選取
由于鋼鐵企業(yè)的特殊性，各分廠或車(chē)間之間在地域上的分散性突出，相距距離較遠(yuǎn)，資源配置情況差異較大，情況又相當(dāng)復(fù)雜，籠統(tǒng)地討論是不切實(shí)際的。文中只針對(duì)特定情況討論，即將所收集的各種煤氣分別送中繼加壓站加壓，再根據(jù)需要進(jìn)行配氣、調(diào)度。由于存在不確定性和不確知性，對(duì)象特性難以用嚴(yán)格的定量方法進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，因而從控制角度考慮問(wèn)題，感興趣的主要目標(biāo)不應(yīng)是被控對(duì)象，而是控制器的本身。工程中往往采用的是在總結(jié)操作者豐富經(jīng)驗(yàn)和操作規(guī)則的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征信息進(jìn)行識(shí)別，再作直覺(jué)推理，再在線地確定控制策略的方法，即智能控制策略。它的特點(diǎn)是控制規(guī)則的建立及控制決策過(guò)程不是基于被控對(duì)象單純的數(shù)學(xué)解析模型，而是基于知識(shí)(包括定量和定性的知識(shí))，體現(xiàn)了人(專家、嫻熟的操作者)的智能。其控制形式是多種多樣的，如專家控制、仿人智能控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自學(xué)習(xí)控制等等，其中更貼近實(shí)際的是專家控制和仿人智能控制。
(1) 專家控制策略
實(shí)時(shí)專家控制系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是計(jì)算機(jī)智能軟件系統(tǒng)。它模擬領(lǐng)域?qū)＜姨幚碇R(shí)和解決問(wèn)題，是具有獲得反饋信息并能實(shí)時(shí)在線地控制的系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理與特征辨識(shí)是在線的，能夠及時(shí)反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征。其推理方法一般采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的前向推理，依次判別各條規(guī)則的條件，若滿足則執(zhí)行，執(zhí)行規(guī)則必須給出控制決策，決策可以是定性和定量結(jié)合的方式。實(shí)時(shí)專家控制系統(tǒng)主要由知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和推理機(jī)組成，其知識(shí)庫(kù)分為靜態(tài)知識(shí)庫(kù)和動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)。靜態(tài)知識(shí)庫(kù)中存放系統(tǒng)和工況設(shè)定值等參數(shù)，動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)中存放各種專家規(guī)則集，規(guī)則可按不同類型劃分為多個(gè)子集，子集間的關(guān)系是分級(jí)(或協(xié)調(diào))的，為了滿足時(shí)間響應(yīng)要求，每個(gè)子集中的規(guī)則數(shù)不宜太多。其難點(diǎn)在于對(duì)不確定性和不確知性的系統(tǒng)建立知識(shí)庫(kù)并非易事，就是建立了完善復(fù)雜的知識(shí)庫(kù)，也未必滿足實(shí)時(shí)要求，事實(shí)上對(duì)所研究的特定系統(tǒng)而言，是不可取的。
(2) 仿人智能控制
其基本思想是在控制過(guò)程中利用計(jì)算機(jī)模擬人的控制行為功能，最大限度地識(shí)別和利用控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程所提供的特征信息，進(jìn)行啟發(fā)和直覺(jué)推理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺乏精確數(shù)學(xué)模型的對(duì)象進(jìn)行有效的控制。其物理實(shí)現(xiàn)方法是根據(jù)計(jì)算機(jī)控制動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的輸入輸出的信息來(lái)識(shí)別被控系統(tǒng)所處的狀態(tài)、動(dòng)態(tài)特征及行為，即利用系統(tǒng)誤差e和e的一階、二階導(dǎo)數(shù)，便可構(gòu)造控制算法，相對(duì)而言它是簡(jiǎn)捷而實(shí)用的，物理意義清晰。與其它智能控制策略(如專家控制策略、模糊控制策略、神經(jīng)控制策略、自學(xué)習(xí)控制策略、多級(jí)遞階智能控制策略、多模變結(jié)構(gòu)智能控制策略等)相比，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。因此，在煤氣中繼自動(dòng)化加壓站中，采用了仿人智能控制策略。
3 控制算法
基本思路是模仿過(guò)程控制系統(tǒng)中富有經(jīng)驗(yàn)的操作者的普遍行為，如當(dāng)系統(tǒng)的誤差趨于增加時(shí)，發(fā)出強(qiáng)烈的作用(閉環(huán)控制);當(dāng)系統(tǒng)誤差趨于減小時(shí)，則取消控制動(dòng)作，等待觀察等等。人對(duì)被控系統(tǒng)的狀態(tài)、動(dòng)態(tài)特征及行為了解的越多，控制的效果就會(huì)越好。如果en表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻誤差值，en-1和en-2分別表示前一個(gè)和前二個(gè)采樣時(shí)刻的誤差值，則有
從誤差e和誤差變化Δe這兩個(gè)基本的特征變化，便可從動(dòng)態(tài)過(guò)程中獲取更多的特征信息。
(1) e·Δe
誤差e同誤差變化Δe之積構(gòu)成了一個(gè)新的描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的特征變量，利用該特征變量的取值是否大于零，就可以描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程變化的趨勢(shì)。
當(dāng)e·Δe<0時(shí)，表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程正向著誤差減小的方向變化，即誤差的絕對(duì)值逐漸減小。
當(dāng)e·Δe>0時(shí)，表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程正向著誤差增大的方向變化，即誤差的絕對(duì)值逐漸增大。
在控制過(guò)程中，識(shí)別e·Δe的符號(hào)，便可掌握系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的行為特征，以便更好地制定下一步控制策略。
(2) Δen·Δen-1
相鄰兩次誤差變化之積Δen·Δen-1構(gòu)成了一個(gè)表征誤差出現(xiàn)極值狀態(tài)的特征量，若Δen·Δen-1<0表征出現(xiàn)極值，若Δen·Δen-1>0表征無(wú)極值。
(3)
誤差變化Δe與誤差e之比的絕對(duì)值的大小，描述了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中誤差變化的姿態(tài)。
將與e·Δe聯(lián)合使用, 可對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程作進(jìn)一步的劃分, 通過(guò)這種劃分，可以捕捉到動(dòng)態(tài)過(guò)程的不同姿態(tài)。
(4) Δ(Δe)
誤差變化的變化率，即二次差分，描述動(dòng)態(tài)過(guò)程處于趨于超調(diào)或回調(diào)段位;當(dāng)Δ(Δe)>0，處于超調(diào)段:Δ(Δe)<0時(shí)，處于回調(diào)段。
總結(jié)上述特征，其基本控制算法可歸納為:
k為控制器增益的抑制(衰減)系數(shù), 一般取o<k<1。
基本算法控制系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 基本算法控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
上述控制算法對(duì)大滯后自衡對(duì)象的定值控制是非常適宜的，為了適應(yīng)流量突變或進(jìn)一步提高抗干擾能力，還可加入Bang-Bang控制，使動(dòng)態(tài)品質(zhì)更好。
4 中繼加壓站控制的工程實(shí)現(xiàn)
在中繼加壓站控制的工程實(shí)現(xiàn)中，圍繞經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)要考慮的問(wèn)題是比較多的，如能耗控制、設(shè)備磨損控制、安全控制、穩(wěn)壓調(diào)節(jié)控制、配氣與自動(dòng)調(diào)度等。
4.1 變頻調(diào)速與控制技術(shù)的結(jié)合
加壓站能源主要耗在電動(dòng)機(jī)上，某站改造前靠回流閥開(kāi)度調(diào)節(jié)，即當(dāng)出口流量大時(shí)回流閥關(guān)閉或開(kāi)度小，而出口流量小時(shí)為防止壓力過(guò)高，則使閥門(mén)開(kāi)度增大以減壓。帶動(dòng)增壓泵的電動(dòng)機(jī)始終以額定轉(zhuǎn)速全速運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅浪費(fèi)電能而且機(jī)器磨損大，常因回流閥不靈造成事故，穩(wěn)壓效果極差。改造后，把變頻調(diào)速技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合，用智能控制算法實(shí)施閉環(huán)控制，控制器輸出直接控制變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)氣泵，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制出口壓力，穩(wěn)壓效果好，而且可根據(jù)工藝參數(shù)要求隨時(shí)改變壓力，滿足用戶需要，節(jié)電效果顯著，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。當(dāng)然在調(diào)速過(guò)程中，要注意用屏蔽方法過(guò)濾掉變頻器使機(jī)器產(chǎn)生共振的頻率，以免引起機(jī)器損壞。
4.2 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架
由于加壓站對(duì)各種控制裝置分散管理功能要求很高，一般采用DCS系統(tǒng)比較恰當(dāng)，其電氣監(jiān)控系統(tǒng)可采用由PLC構(gòu)成的下位機(jī)實(shí)現(xiàn)，對(duì)各設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)、控制參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)，如溫度、壓力、流量、電量、起/停、時(shí)鐘、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等作在線記錄、計(jì)算和統(tǒng)計(jì), 并將上述數(shù)據(jù)存放在PLC模板的存儲(chǔ)器內(nèi)，通過(guò)PLC通訊接口送上位機(jī)作管理用。壓力調(diào)節(jié)控制由上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成，其硬件可采用高可靠性的工控機(jī)，再在視窗操作系統(tǒng)上配以工控組態(tài)軟件作開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)相關(guān)的控制應(yīng)用軟件。由于工控組態(tài)軟件有強(qiáng)大而豐富的軟件功能，如數(shù)據(jù)處理、通訊、存儲(chǔ)、顯示等，因此諸如全站的數(shù)據(jù)功能、顯示功能、設(shè)備操作功能、統(tǒng)計(jì)功能、設(shè)備管理功能和故障診斷功能等，均可滿足管理要求。此外，采用這種構(gòu)架，自動(dòng)配氣及自動(dòng)調(diào)度也可在統(tǒng)一的操作界面上完成。
4.3 煤氣的自動(dòng)混氣與調(diào)度
由于焦?fàn)t、高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣不僅燃質(zhì)不同，而且其燃質(zhì)還是波動(dòng)的，各種煤氣的產(chǎn)量也時(shí)有變化，為了既保證不同類型用戶的要求，又不致浪費(fèi)，煤氣資源的混合使用與合理調(diào)度是值得關(guān)注的。各種煤氣間按多大比例混合才是最經(jīng)濟(jì)的，在什么條件下需要補(bǔ)充天燃?xì)?，以保證達(dá)到規(guī)定的燃質(zhì)等等，情況是比較復(fù)雜的。粗略的作法可將各種煤氣燃質(zhì)實(shí)際測(cè)出，并在變化的范圍內(nèi)分檔，以便混合搭配，自動(dòng)配氣與調(diào)度可以采用實(shí)時(shí)專家控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)專家控制系統(tǒng)主要由知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和推理機(jī)組成，它與一般應(yīng)用程序的主要區(qū)別在于:前者問(wèn)題求解的知識(shí)隱含地編入程序，而后者則把應(yīng)用領(lǐng)域的問(wèn)題求解知識(shí)單獨(dú)組成一個(gè)實(shí)體，即知識(shí)庫(kù)。知識(shí)的處理是通過(guò)與知識(shí)庫(kù)分開(kāi)的控制策略進(jìn)行的，也就是說(shuō)，一般應(yīng)用程序把知識(shí)組織為兩級(jí):數(shù)據(jù)級(jí)和程序級(jí)。實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)則將知識(shí)組織成為三級(jí):數(shù)據(jù)級(jí)、知識(shí)庫(kù)和控制級(jí)。推理方法采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的前向推理，依次判別各條規(guī)則的條件，若滿足則執(zhí)行，然后繼續(xù)循環(huán)，判斷下去。靜態(tài)知識(shí)庫(kù)中存放配氣系統(tǒng)和工況設(shè)定值等參數(shù)，動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)中存放各種專家規(guī)則集，因?yàn)橐?guī)則不多，是可以滿足時(shí)間響應(yīng)要求的。實(shí)時(shí)專家控制系統(tǒng)規(guī)則集采用IF“條件”THEN“結(jié)論”的方式或IF(事實(shí)1)(事實(shí)2)……(事實(shí)n)THEN(事實(shí)1)(事實(shí)2)……(事實(shí)n)的方式表達(dá)。
5 結(jié)束語(yǔ)
將變頻調(diào)速技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，經(jīng)在某鋼鐵集團(tuán)公司動(dòng)力廠煤氣混合中繼加壓站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造工程的實(shí)踐中證實(shí)，改造后的系統(tǒng)不僅滿足了生產(chǎn)需求，而且還為研究系統(tǒng)本身問(wèn)題提供了較理想的環(huán)境?？刂菩Ч⒖刂破焚|(zhì)、操作和安全性均能令人滿意。因應(yīng)用變頻調(diào)速設(shè)備磨損減少，管道閥及其它管件受壓均勻，損壞率大幅下降，機(jī)組長(zhǎng)期在低于額定轉(zhuǎn)速和額定的電流下工作，軸溫大幅度下降，磨損減少，潤(rùn)滑油用量也隨之減少，維修成本下降。項(xiàng)目投入資金37萬(wàn)元，每年節(jié)約電費(fèi)25萬(wàn)元，維修保養(yǎng)費(fèi)4萬(wàn)元，即每年節(jié)約經(jīng)費(fèi)共29萬(wàn)元，投資回收期大約1年零3個(gè)月。實(shí)踐說(shuō)明，選擇正確的控制策略與控制算法是提升煤氣加壓站技術(shù)性能的關(guān)鍵。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
李太福(1971-) 男 講師/博士 主要從事機(jī)電控制工程及智能自動(dòng)化方面的教學(xué)與科研。
本文標(biāo)簽：變頻調(diào)速技術(shù)在煤氣中繼自動(dòng)化加壓站中的應(yīng)用及相關(guān)控制問(wèn)題
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